DE102006022394B4

DE102006022394B4 - Device for charge balancing of an energy source with several cells

Info

Publication number: DE102006022394B4
Application number: DE102006022394.2A
Authority: DE
Inventors: Jochen Fassnacht
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-05-12
Filing date: 2006-05-12
Publication date: 2024-12-05
Anticipated expiration: 2026-05-13
Also published as: DE102006022394A1

Abstract

Vorrichtung zum Ladungsabgleich einer Batterie (1) mit mehreren Zellen (2a-2d), gekennzeichnet durch eine mit den Zellen (2a-2d) verbundene Elektronik (3), die so ausgelegt ist, dass sie eine Zelle (2a-2d) wenigstens teilweise entlädt, wenn deren Zellenspannung (U1-U4) von einem aus mehreren Zellenspannungen (U1-U4) gebildeten Referenzwert (Uc) stärker abweicht als eine vorgegebene Schwelle, wobei die Elektronik (3) eine Entladeeinheit (5) zum selektiven Entladen einzelner Zellen (2a-2d) und eine Einheit (6) zum Erzeugen des Referenzwerts (Uc) umfasst, der der Entladeeinheit (5) zugeführt wird, wobei die Einheit (6) zur Erzeugung des Referenzwerts (Uc) einen Spannungsteiler (R1, R2) und einen Differenzverstärker (9) umfasst, wobei der Differenzverstärker (9) die Klemmenspannung der Batterie (1) verstärkt und der Ausgang des Differenzverstärkers (9) mit dem Spannungsteiler (R1, R2), der die verstärkte Spannung teilt, verbunden ist.Device for balancing the charge of a battery (1) with several cells (2a-2d), characterized by an electronics unit (3) connected to the cells (2a-2d) which is designed to at least partially discharge a cell (2a-2d) if its cell voltage (U1-U4) deviates from a reference value (Uc) formed from several cell voltages (U1-U4) by more than a predetermined threshold, wherein the electronics unit (3) comprises a discharge unit (5) for selectively discharging individual cells (2a-2d) and a unit (6) for generating the reference value (Uc) which is fed to the discharge unit (5), wherein the unit (6) for generating the reference value (Uc) comprises a voltage divider (R1, R2) and a differential amplifier (9), wherein the differential amplifier (9) amplifies the terminal voltage of the battery (1) and the output of the differential amplifier (9) is connected to the voltage divider (R1, R2) which increased voltage is connected.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ladungsabgleich einer Energiequelle, insbesondere einer Batterie, mit mehreren Zellen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a device for balancing the charge of an energy source, in particular a battery, with several cells according to the preamble of patent claim 1.

Bekannte Fahrzeugbatterien, wie z.B. NiMH-Batterien, Li-lonen-Batterien oder DLC-Batterien (DLC: Doppelschichtkondensator), bestehen aus mehreren in Reihe geschalteten Einzelzellen, die jeweils eine Teilspannung von wenigen Volt erzeugen. Die Anzahl der Zellen bestimmt dabei die Nennspannung der Batterie, die z.B. 12V oder 42V, bei Hybrid-Fahrzeugen auch 500V betragen kann.Common vehicle batteries, such as NiMH batteries, Li-ion batteries or DLC batteries (DLC: double layer capacitor), consist of several individual cells connected in series, each of which generates a partial voltage of a few volts. The number of cells determines the nominal voltage of the battery, which can be 12V or 42V, for example, or 500V in hybrid vehicles.

Auf Grund fertigungstechnischer Toleranzen oder thermischer Einflüsse kann der Ladezustand SOC (State Of Charge) der einzelnen Zellen unterschiedlich hoch sein. Dies beeinträchtigt die Leistungsfähigkeit der Batterie erheblich, da diejenige Zelle mit dem geringsten Ladezustand und diejenige Zelle mit dem höchsten Ladezustand für das Auf- bzw. Entladen der Batterie limitierend wirken. D.h., die Batterie kann nicht weiter aufgeladen werden, als bis die vollste Zelle voll aufgeladen ist, und nicht weiter entladen wird, als bis die Ladung der leersten Zelle verbraucht ist.Due to manufacturing tolerances or thermal influences, the SOC (State Of Charge) of the individual cells can vary. This has a significant impact on the performance of the battery, as the cell with the lowest state of charge and the cell with the highest state of charge limit the charging or discharging of the battery. This means that the battery cannot be charged any further than the fullest cell is fully charged, and cannot be discharged any further than the charge of the emptyest cell is used up.

Um eine Batterie, die längere Zeit in Betrieb war, wieder zu regenerieren, ist es bekannt, einen so genannten Ladungsabgleich durchzuführen. Dabei wird bei z.B. NiMH-Systemen die Batterie zunächst voll aufgeladen und dann mit einem geringen Strom überladen, so dass auch die schwächeren, noch nicht vollen Zellen wieder aufgeladen werden, bis sich der Ladezustand der Zellen langsam angleicht. In den bereits vollen Zellen wird dabei die überschüssige Energie in Wärme umgesetzt. Dieses Verfahren funktioniert jedoch nur bei NiMH- oder Blei-Säure-Batterien. Li-Ionen- oder DLC-Batterien können dagegen nicht überladen werden, da sie in diesem Fall zerstört werden würden.In order to regenerate a battery that has been in use for a long time, it is known to carry out a so-called charge balancing. In NiMH systems, for example, the battery is first fully charged and then overcharged with a small current so that the weaker, not yet full cells are also recharged until the charge level of the cells slowly equalizes. In the already full cells, the excess energy is converted into heat. However, this process only works with NiMH or lead-acid batteries. Li-ion or DLC batteries, on the other hand, cannot be overcharged as this would destroy them.

Zum Ladungsabgleich der zuletzt genannten Batterie-Typen wird üblicherweise eine Elektronik eingesetzt, die mit jeder einzelnen Zelle verbunden ist und die einzelnen Zellen selektiv entlädt, sobald deren Zellenspannung einen vorgegebenen Maximalwert übersteigt. Die Maximalspannung ist dabei ein fest vorgegebener Wert, der meist nahe einer maximal zulässigen Zellenspannung liegt. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass bei Applikationen, bei denen die Batterie nur sehr selten voll aufgeladen wird, der Ladungsunterschied der einzelnen Zellen sehr groß werden kann. Wenn nun die vollste Zelle beim nächsten Ladevorgang die Spannungsschwelle erreicht, muss gegebenenfalls sehr viel Leistung in sehr kurzer Zeit abgeführt werden, damit keine gefährliche Überspannung entsteht. Hierzu sind entsprechend leistungsfähig dimensionierte Widerstände notwendig, die entsprechend teuer sind. Darüber hinaus muss die beim Entladen der Zelle erzeugte thermische Leistung abgeführt werden.To balance the charge of the latter types of battery, electronics are usually used that are connected to each individual cell and selectively discharge the individual cells as soon as their cell voltage exceeds a predetermined maximum value. The maximum voltage is a fixed value that is usually close to a maximum permissible cell voltage. However, this method has the disadvantage that in applications where the battery is only very rarely fully charged, the charge difference between the individual cells can be very large. If the fullest cell reaches the voltage threshold during the next charging process, a lot of power may have to be dissipated in a very short time to prevent dangerous overvoltage. This requires resistors of appropriately high power, which are correspondingly expensive. In addition, the thermal power generated when the cell is discharged must be dissipated.

Offenbarung der Erfindungdisclosure of the invention

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Ladungsabgleich einer Batterie zu schaffen, bei der geringere Entladeströme auftreten und die dennoch zuverlässig vor Überspannungen schützt.It is therefore the object of the present invention to provide a device for balancing the charge of a battery in which lower discharge currents occur and which nevertheless reliably protects against overvoltages.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.This object is achieved according to the invention by the features specified in patent claim 1. Further embodiments of the invention are the subject of subclaims.

Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, eine Entladeeinheit zum selektiven Entladen einzelner Zellen vorzusehen, die so ausgelegt ist, dass sie eine vorgegebene Zelle wenigstens teilweise entlädt, wenn die Zellenspannung der betreffenden Zelle von einem aus mehreren Zellspannungen gebildeten Referenzwert, vorzugsweise einem Mittelwert oder einem darauf bezogenen Wert, stärker abweicht als ein vorgegebener Schwellenwert. Im Unterschied zum eingangs beschriebenen Stand der Technik wird hier nicht mehr das Überschreiten einer maximalen Zellenspannung überwacht, sondern nur noch die Abweichung einer einzelnen Zellenspannung von einem Referenzwert, insbesondere einem Spannungs-Mittelwert. Die einzelnen Zellenspannungen bzw. Ladungszustände befinden sich daher immer innerhalb eines bestimmten Bandes um den Referenzwert. Die Grenzen dieses Bandes können je nach Wunsch bzw. Applikation schmäler oder weiter gewählt werden. Dieses Verfahren zum Ladungsabgleich hat den wesentlichen Vorteil, dass die einzelnen Zellen der Batterie immer relativ gut abgeglichen sind und keine Gefahr von Überspannungen besteht.An essential aspect of the invention is to provide a discharge unit for selectively discharging individual cells, which is designed in such a way that it at least partially discharges a given cell if the cell voltage of the cell in question deviates from a reference value formed from several cell voltages, preferably an average value or a value related to it, more than a predetermined threshold value. In contrast to the prior art described at the beginning, the exceeding of a maximum cell voltage is no longer monitored here, but only the deviation of an individual cell voltage from a reference value, in particular an average voltage. The individual cell voltages or charge states are therefore always within a certain band around the reference value. The limits of this band can be selected to be narrower or wider depending on the requirement or application. This method for charge balancing has the significant advantage that the individual cells of the battery are always relatively well balanced and there is no risk of overvoltages.

Der Referenzwert ist vorzugsweise ein aus mehreren Zellenspannungen gebildeter Mittelwert oder ein auf den Mittelwert bezogener Wert, wie z.B. der Mittelwert ± ein Deltawert.The reference value is preferably an average value formed from several cell voltages or a value related to the average value, such as the average value ± a delta value.

Der Referenzwert wird vorzugsweise mittels eines Spannungsteilers erzeugt, der z. B. die Klemmenspannung der Batterie oder eine daraus abgeleitete Spannung teilt, vorzugsweise mittelt.The reference value is preferably generated by means of a voltage divider which, for example, divides, preferably averages, the terminal voltage of the battery or a voltage derived therefrom.

Eine Einheit zur Erzeugung des Referenzwerts umfasst vorzugsweise auch einen Differenzverstärker, der die Klemmenspannung der Batterie verstärkt. Der Ausgang des Differenzverstärkers ist vorzugsweise mit dem Spannungsteiler verbunden, der die verstärkte Spannung teilt.A unit for generating the reference value preferably also comprises a differential amplifier which amplifies the terminal voltage of the battery. The output of the differential amplifier is preferably connected to the voltage divider that divides the amplified voltage.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Entladeeinheit wenigstens einen Komparator, der vorzugsweise in Hysterese geschaltet ist. Die Schaltschwelle der Entladeeinheit kann somit über die Hysterese des Komparators eingestellt werden. Wahlweise kann die Schaltschwelle der Entladeeinheit natürlich auch über die Höhe des Referenzwerts bzw. den Teilungsfaktor des Spannungsteilers eingestellt werden.According to a preferred embodiment of the invention, the discharge unit comprises at least one comparator, which is preferably connected in hysteresis. The switching threshold of the discharge unit can thus be set via the hysteresis of the comparator. Optionally, the switching threshold of the discharge unit can of course also be set via the level of the reference value or the division factor of the voltage divider.

Die Entladeeinheit umfasst vorzugsweise einen Komparator, an dessen einem Eingang der Referenzwert und an dessen anderem Eingang eine Zellenspannung bzw. eine daraus abgeleitete Spannung zugeführt wird, und dessen Ausgang einen Schalter zum Entladen einer Zelle ansteuert, der in den leitenden Zustand versetzt wird, wenn die Eingangsspannung die Referenzspannung um ein vorgegebenes Maß übersteigt. Vorzugsweise ist jeder einzelnen Zelle der Batterie eine separate Entladeeinheit zugeordnet.The discharge unit preferably comprises a comparator, to one input of which the reference value is supplied and to the other input of which a cell voltage or a voltage derived therefrom is supplied, and whose output controls a switch for discharging a cell, which is put into the conductive state when the input voltage exceeds the reference voltage by a predetermined amount. Preferably, each individual cell of the battery is assigned a separate discharge unit.

Jede Entladeeinheit umfasst vorzugsweise einen Widerstand, über den die Zelle beim Entladen kurzgeschlossen wird.Each discharge unit preferably comprises a resistor through which the cell is short-circuited during discharge.

Die einzelnen Einheiten der Elektronik sind vorzugsweise als konkrete Schaltung aufgebaut, können aber - mit Ausnahme des Entladewiderstandes - auch in Software realisiert sein.The individual units of the electronics are preferably constructed as a concrete circuit, but - with the exception of the discharge resistor - can also be implemented in software.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description of the drawings

Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

1 ein Schaltbild einer elektronischen Schaltung zum Ladungsabgleich einer Batterie.

The invention is explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. They show:

1 a circuit diagram of an electronic circuit for balancing the charge of a battery.

Ausführungsform der Erfindungembodiment of the invention

1 zeigt das Schaltbild einer elektronischen Schaltung 3 zum Ladungsabgleich einer Batterie 1, die mehrere in Serie geschaltete Zellen 2a-2d aufweist. Bei der Batterie 1 kann es sich im Grunde um jeden bekannten Batterietyp, wie z.B. eine Li-Ionen- oder eine NiMH-Batterie oder um eine DLC-Anordnung handeln. Letztere soll hier ebenfalls als „Batterie“ gelten. 1 shows the circuit diagram of an electronic circuit 3 for balancing the charge of a battery 1, which has several cells 2a-2d connected in series. The battery 1 can basically be any known battery type, such as a Li-ion or NiMH battery or a DLC arrangement. The latter is also to be considered a "battery" here.

Die Elektronik 3 umfasst eine Entladeeinheit 5 zum Entladen einzelner Zellen 2a-2d, welche die Zellen 2a-2d unter bestimmten Bedingungen wenigstens teilweise entlädt. Ein Entladevorgang wird ausgelöst, wenn die Zellenspannung U₁-U₄ einer Zelle 2a-2d von einem Spannungs-Mittelwert bzw. einem auf den Mittelwert bezogenen Wert zu stark abweicht. Die betreffende Zelle 2a-2d wird dann über einen am Ausgang der Entladeeinheit 5 angeordneten Widerstand R_S teilweise entladen und die Batterie 1 somit abgeglichen.The electronics 3 comprise a discharge unit 5 for discharging individual cells 2a-2d, which at least partially discharges the cells 2a-2d under certain conditions. A discharge process is triggered when the cell voltage U ₁ -U ₄ of a cell 2a-2d deviates too much from a voltage average or a value related to the average. The cell 2a-2d in question is then partially discharged via a resistor R _S arranged at the output of the discharge unit 5 and the battery 1 is thus balanced.

Die Entladeeinheit 5 umfasst mehrere Komparatoren 5a-5d, die jeweils einer der Zellen 2a-2d zugeordnet sind. Die Komparatoren 5a-5d erhalten an ihrem invertierenden Eingang (-) eine Referenzspannung, und an ihrem nicht invertierenden Eingang (+) eine aus der jeweiligen Zellenspannung U₁-U₄ abgeleitete Spannung U_C1-U_C4. Die Komparatoren 5a-5d sind in diesem Ausführungsbeispiel in Hysterese geschaltet und umfassen entsprechend einen zwischen dem Eingang (+) und dem Komparator-Ausgang angeordneten Widerstand R₃, sowie einen am Eingang (+) angeschlossenen Widerstand R₄.The discharge unit 5 comprises several comparators 5a-5d, each of which is assigned to one of the cells 2a-2d. The comparators 5a-5d receive a reference voltage at their inverting input (-) and a voltage U _C1 -U _C4 derived from the respective cell voltage U ₁ -U ₄ at their non-inverting input (+). The comparators 5a-5d are connected in hysteresis in this embodiment and accordingly comprise a resistor R ₃ arranged between the input (+) and the comparator output, as well as a resistor R ₄ connected to the input (+).

Die am nicht invertierenden Eingang (+) der Komparatoren 5a-5d anliegende Spannung wird, wie erwähnt, aus den einzelnen Zellenspannungen U₁-U₄ abgeleitet. Hierzu ist für jede der Zellen 2a-2d ein Differenzverstärker 4a-4d vorgesehen, deren Eingang jeweils mit einer Zelle 2a-2d verschaltet ist. An ihren Ausgängen erzeugen die Differenzverstärker 4a-4d eine verstärkte Spannung U_C1-U_C4. Die Differenzverstärker 4a-4d sind in bekannter Weise beschaltet und umfassen mehrere Widerstände R₅-R₉.The voltage present at the non-inverting input (+) of the comparators 5a-5d is, as mentioned, derived from the individual cell voltages U ₁ -U ₄ . For this purpose, a differential amplifier 4a-4d is provided for each of the cells 2a-2d, the input of which is connected to a cell 2a-2d. At their outputs, the differential amplifiers 4a-4d generate an amplified voltage U _C1 -U _C4 . The differential amplifiers 4a-4d are connected in a known manner and comprise several resistors R ₅ -R ₉ .

Die am invertierenden Eingang (-) der Komparatoren 5a-5d anliegende Referenzspannung U_c wird hier mittels eines Spannungsteilers R₁, R₂ erzeugt, der die Klemmenspannung der Batterie 1, genauer eine verstärkte Klemmenspannung U_G1 mittelt. Bei der dargestellten Batterie 1 mit vier Zellen 2a-2d gilt somit: U_C=U_G/4. Der Spannungs-Mittelwert ist mit U_c bezeichnet.The reference voltage U _c applied to the inverting input (-) of the comparators 5a-5d is generated here by means of a voltage divider R ₁ , R ₂ , which averages the terminal voltage of the battery 1, more precisely an amplified terminal voltage U _G1 . For the battery 1 shown with four cells 2a-2d, the following therefore applies: U _C =U _G /4. The average voltage value is designated U _c .

Die verstärkte Klemmenspannung U_G1 wird von einem Differenzverstärker 6 erzeugt, an dessen Eingang die Klemmenspannung anliegt. Der Differenzverstärker 6 ist in herkömmlicher Weise beschaltet und umfasst Widerstände R₁₀-R₁₂.The amplified terminal voltage U _G1 is generated by a differential amplifier 6, at whose input the terminal voltage is applied. The differential amplifier 6 is wired in a conventional manner and comprises resistors R ₁₀ -R ₁₂ .

Der maximal zulässige Ladungsunterschied der einzelnen Zellen 2a-2d wird hier durch die Auslegung der Komparator-Hysterese (Widerstände R₃, R₄) festgelegt. Wenn eine der Eingangsspannungen U_C1-U_C4 die Referenzspannung U_C (Mittelwert) plus eine durch die Hysterese vorgegebene Delta-Spannung übersteigt, schaltet der Ausgang des zugehörigen Komparators 5a-5d in den anderen Zustand (z.B. logisch „1“) und schließt den am Ausgang angeschlossenen Schalter S₁-S₄. Die zugehörige Zelle 2a-2d wird dann über einen Widerstand R_S und den entsprechenden Schalter S₁-S₄ kurzgeschlossen und entladen. Der Entladevorgang wird beendet, wenn die Eingangsspannung U_C1-U_C4 der betreffenden Zelle unter die Referenzspannung U_C minus eine durch die Hysterese bestimmte Delta-Spannung sinkt. Der betreffende Komparator 5a-5d schaltet in diesem Fall wieder in den Ausgangszustand (z.B. logisch „0“) und öffnet den zugehörigen Schalter S₁-S₄.The maximum permissible charge difference of the individual cells 2a-2d is determined here by the design of the comparator hysteresis (resistors R ₃ , R ₄ ). If one of the input voltages U _C1 -U _C4 exceeds the reference voltage U _C (average value) plus a delta voltage specified by the hysteresis, the output of the associated comparator 5a-5d switches to the other state (e.g. logic "1") and closes the switch S ₁ -S ₄ connected to the output. The associated cell 2a-2d is then short-circuited and discharged via a resistor R _S and the corresponding switch S ₁ -S ₄ . The discharge process is terminated when the input voltage U _C1 -U _C4 of the relevant the cell falls below the reference voltage U _C minus a delta voltage determined by the hysteresis. In this case, the relevant comparator 5a-5d switches back to the initial state (e.g. logic "0") and opens the associated switch S ₁ -S ₄ .

Die Schaltzeitpunkte für den Beginn bzw. das Ende eines Entladevorgangs könnten natürlich auch über die Auslegung des Spannungsteilers R₁,R₂ und damit die Höhe der Referenzspannung U_c eingestellt werden.The switching times for the beginning and the end of a discharge process could of course also be set via the design of the voltage divider R ₁ , R ₂ and thus the level of the reference voltage U _c .

Die Schalter S₁-S₄ sind vorzugsweise als Transistoren realisiert. Die elektronische Schaltung 3 kann in Hardware oder zumindest teilweise in Software realisiert werden.The switches S ₁ -S ₄ are preferably implemented as transistors. The electronic circuit 3 can be implemented in hardware or at least partially in software.

Claims

Device for balancing the charge of a battery (1) with several cells (2a-2d), characterized by an electronics unit (3) connected to the cells (2a-2d) which is designed to at least partially discharge a cell (2a-2d) if its cell voltage (U ₁ -U ₄ ) deviates from a reference value (U _c ) formed from several cell voltages (U ₁ -U ₄ ) more than a predetermined threshold, wherein the electronics unit (3) comprises a discharge unit (5) for selectively discharging individual cells (2a-2d) and a unit (6) for generating the reference value (U _c ) which is fed to the discharge unit (5), wherein the unit (6) for generating the reference value (U _c ) comprises a voltage divider (R1, R2) and a differential amplifier (9), wherein the differential amplifier (9) amplifies the terminal voltage of the battery (1) and the output of the differential amplifier (9) is connected to the voltage divider (R1, R2), which divides the amplified voltage.

device according to claim 1 , characterized in that the reference value is an average value formed from several cell voltages (U ₁ -U ₄ ) or a value related to the average value.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the electronics (3) comprises a discharge unit (5) with a comparator (7a-7d) to which a cell voltage (U ₁ -U ₄ ) or a voltage derived therefrom and the reference value (Uc) are supplied at its input, and whose output is connected to a switch (S ₁ -S ₄ ) for discharging a cell (2a-2d).

device according to claim 3 , characterized in that the comparator (7a-7d) is a comparator (7a-7d) switched in hysteresis.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the discharge unit (5) comprises a resistor (Rs) via which the cell (2a-2d) is short-circuited during discharge.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the electronics (3) comprises several differential amplifiers (4), each of which is assigned to a cell (2a-2d).